Científicos han reconstruido circuitos neuronales del cerebro humano en el laboratorio y han descubierto que el tálamo desempeña un papel regulador central en la formación de conexiones neuronales en la corteza cerebral. Esta investigación ofrece una nueva perspectiva para revelar el mecanismo de formación de las redes neuronales cerebrales y explicar por qué a veces se desarrollan de forma anormal.
Un equipo de investigación japonés ha reconstruido circuitos neuronales humanos clave en el laboratorio utilizando un modelo cerebral multirregional en miniatura denominado **ensamblaje similar a un cerebro**. Estos modelos se crean a partir de células madre pluripotentes inducidas, que integran múltiples regiones similares a las del cerebro en un único sistema funcional. Los investigadores utilizaron este modelo para confirmar que el tálamo desempeña un papel crucial en la formación de circuitos neuronales especializados en la corteza cerebral humana.
Los resultados de la investigación se publicaron en las *Actas de la Academia Nacional de Ciencias*.
La importancia de los circuitos neuronales corticales.
La corteza cerebral contiene varios tipos de neuronas. Estas neuronas deben comunicarse fluidamente entre sí y con otras áreas del cerebro. Estas interacciones son cruciales para capacidades cognitivas fundamentales como la percepción, el aprendizaje y la cognición.
En pacientes con trastornos del neurodesarrollo, como el trastorno del espectro autista, el desarrollo de estos circuitos neuronales corticales suele ser anormal o su función está alterada. Esclarecer los mecanismos de formación de las redes neuronales cerebrales es un paso clave para descubrir las raíces biológicas de estas enfermedades y desarrollar tratamientos más eficaces.
El tálamo y el desarrollo de circuitos neuronales cerebrales.
Investigaciones a largo plazo en roedores han demostrado que el tálamo desempeña un papel crucial en la construcción de circuitos neuronales corticales. Sin embargo, aún no se ha esclarecido cómo el tálamo y la corteza cerebral interactúan para dar forma a estos circuitos neuronales en el cerebro humano.
Debido a las importantes limitaciones para obtener tejido cerebral humano, el estudio directo de este proceso en humanos enfrenta enormes desafíos éticos y tecnológicos. Para superar este obstáculo, los científicos han centrado su investigación en los organoides: estructuras tridimensionales obtenidas a partir de células madre que comparten características similares a los órganos humanos reales.
Los ensamblajes similares a cerebros permiten la investigación colaborativa en múltiples regiones cerebrales.
Si bien los organoides son modelos de investigación muy valiosos, un solo organoide no puede simular las interacciones entre múltiples regiones cerebrales. Para compensar esta deficiencia, los investigadores han desarrollado una tecnología de ensamblaje similar a cerebros: la fusión física de dos o más organoides para que interactúen.
El profesor Fumitaka Osakada, el estudiante de posgrado Masatoshi Nishimura y su equipo de investigación de la Escuela de Posgrado de Ciencias Farmacéuticas de la Universidad de Nagoya utilizaron esta tecnología para reconstruir en el laboratorio el sistema de interacción entre el tálamo y la corteza cerebral.
El equipo de investigación utilizó primero células madre pluripotentes inducidas humanas para cultivar por separado organoides corticales y talámicos, y luego los fusionó para formar un conjunto similar al cerebro, observando así de cerca la comunicación de señales entre ambas regiones cerebrales durante el desarrollo.
Los circuitos neuronales construidos en el laboratorio replican las características de conectividad del cerebro humano.
Los investigadores observaron que las fibras nerviosas del tálamo crecen hacia la corteza cerebral, mientras que las fibras nerviosas de la corteza se extienden hacia el tálamo. Estos axones en continuo crecimiento forman conexiones sinápticas, muy similares a las características de conectividad neuronal del cerebro humano.
Para investigar el impacto de esta interacción en el desarrollo, el equipo de investigación comparó la expresión génica en la porción cortical del conjunto similar al cerebro con organoides corticales cultivados por separado. Los resultados mostraron que el tejido cortical conectado al tálamo exhibió una mayor madurez, lo que indica que el intercambio de señales entre el tálamo y la corteza promueve el crecimiento y el desarrollo cortical.
Las señales talámicas impulsan la actividad neuronal sincronizada.
Los investigadores también investigaron la transmisión de señales neuronales en el conjunto similar al cerebro, descubriendo que la actividad neuronal se transmite del tálamo a la corteza cerebral en un patrón ondulatorio, formando posteriormente redes neuronales sincronizadas entre las neuronas corticales.
Posteriormente, el equipo de investigación examinó la actividad de tres subtipos principales de neuronas excitatorias en la corteza cerebral: neuronas del telencéfalo, neuronas del tracto piramidal y neuronas corticotalámicas, para identificar qué neuronas participaban en esta actividad neuronal coordinada.
Los investigadores detectaron transducción de señales sincronizada en las neuronas del tracto piramidal y las neuronas corticotalámicas, ambas con proyección al tálamo; sin embargo, las neuronas del telencéfalo no mostraron esta actividad sincronizada. Estos resultados indican que la entrada de señales talámicas potencia selectivamente la actividad de tipos neuronales específicos, lo que facilita la formación de redes coordinadas y la maduración funcional dentro de conjuntos similares a los del cerebro.
Una novedosa plataforma experimental para el estudio de enfermedades cerebrales.
Este equipo de investigación reconstruyó con éxito circuitos neuronales humanos utilizando conjuntos similares a los del cerebro, desarrollando un nuevo y potente sistema de investigación que permite explorar la formación y los mecanismos funcionales de los circuitos neuronales cerebrales, así como las diferencias en los circuitos entre diferentes tipos de células.
El profesor Fumitaka Osakada destacó la gran importancia de esta investigación, afirmando: «Al replicar el cerebro humano, hemos logrado un avance significativo en la investigación que utiliza métodos constructivistas para analizarlo. Creemos que estos hallazgos ayudarán a acelerar la comprensión de la patogénesis de las enfermedades neurológicas y mentales, a la vez que impulsarán el desarrollo de nuevos tratamientos».
